22 marca 2023

Wyciek METANU wykryty przy pomocy drona

Aktualności Case Study Drony w oil & gas

Ekipa BZB UAS wykonała loty testowe, z wykorzystaniem czujnika AiLF U10, którego celem była demonstracja zdalnego pomiaru emisji metanu przy pomocy urządzeń montowanych na Bezzałogowych Statkach Powietrznych (dronach). Wyniki realizacji lotów testowych przedstawiono poniżej. Loty były wykonywane zgodnie z obowiązującym prawem Urzędu Lotnictwa Cywilnego dotyczącym wykonywania lotów bezzałogowymi statkami powietrznymi.

Opis obszaru, na którym wykonano loty

Nalot wykonaliśmy nad siedzibą firmy BZB UAS. Obszar nalotu znajdował się na terenie osiedla Sołtysowice we Wrocławiu. Najbliższe otoczenie obszaru nalotu sprzyja przeprowadzaniu nalotów dronami, zarówno wielowirnikowcami, jak i płatowcami. Jedynymi przeszkodami terenowymi wokół obiektów są̨ drzewa oraz pojedyncza linia średniego napięcia. Miejsca startu dla wielowirnikowca dostępne są̨ na całym obszarze siedziby BZB UAS.  Symulacja wycieku była przeprowadzona za pomocą otwartej butli z gazem wzorcowym.

Opis warunków atmosferycznych w czasie realizacji prac

W okresie realizacji prac warunki atmosferyczne panowały dogodne warunki atmosferyczne, zezwalające na wykonywanie operacji dronowych. Trzeba zwrócić uwagę na prędkość wiatru, która w tym stanie znacząco wpływa na możliwość wykrywania gazów i precyzję wskazania lokalizacji wycieku.

• Temperatura: 7°C
• Zachmurzenie: Brak
• Prędkość wiatru: 5 m/s (z porywami do 10 m/s)
• Wilgotność: 75%

Wykorzystane metody i urządzenia

Metoda pomiarowa wykorzystuje sensor pomiarowy AiLF U10. Sensor ten działa dzięki wykorzystaniu dedykowanego lasera pozwalającego na wykrycie oraz pomiar ilościowy metanu z odległości do 100 metrów i koncentracji od 5 ppm. Sensor wykorzystuje właściwości metanu do wykonywania precyzyjnych pomiarów. W przeciwieństwie do kamer optycznych, sensor ten pozwala na wykonywanie ilościowych pomiarów koncentracji metanu.

Zasada działania sensora oparta jest na liniowej zależności pomiędzy koncentracją i absorbancją ośrodka. Pozwala to na obliczenie koncentracji ośrodka poprzez pomiar jego absorbancji (prawo Lamberta-Beera). Sensor ten, wykorzystuje laser o długości fali wynoszącej dokładnie 1653 nanometrów, co oznacza ze absorbowany jest jedynie przez metan, a pozostałe gazy występujące w atmosferze nie mają na niego wpływu.

Pomiar polega na pomiarze intensywności powracającej wiązki lasera. Różnica w intensywności jest następnie odnoszona do koncentracji gazu. Wynikiem pomiaru lasera jest koncentracja podana w jednostkach ppm.m. Przykładowo wynik pomiaru 100 ppm.m oznacza, że laser napotkał jednorodnie rozprowadzony gaz o stężeniu 100 ppm na masie gazowej o grubości 1 metra. Zasada działania została pokazana również̇ na rysunku 2.

Parametry wykonanych nalotów

Dane laserowe pobraliśmy za pośrednictwem bezzałogowego statku powietrznego DJI Matrice 300 RTK, wyposażonego w sensor AiLF U10. Naloty wykonywaliśmy nad siedzibą BZB UAS.

Charakterystyka zebranych danych:

• Wysokość nalotu: 55 m (1 lot), 35 m (2 lot) i 45 m (3 lot)
• Ilość wykonanych lotów: 3
• Prędkość lotu: ~10 km/h
• Gęstość siatki: 5 m (1 lot), 4 m (2 lot), 4 m (3 lot)
• Brak informacji o wartości kontrolowanego wycieku

Prezentacja danych

Czujnik laserowy

Obszar objęty pomiarem podzielony został na sektory. Miejsca potencjalnych nieszczelności i wycieku metanu zostały oznaczone numerem oraz kolorem. Numer oznacza koncentrację gazu w ppm*m. Kolorowe wskazania są uzależnione od koncentracji gazu (Rys. 3.)

Interpretacja zebranych danych oraz opis sytuacyjny

Nad siedzibą firmy BZB UAS przeprowadzone zostały trzy naloty z sensorem AILF U10. W trakcie pierwszego nalotu była ustawiona maksymalna wartość „wycieku kontrolowanego”. W czasie lotu automatycznego na wysokości 55m AGL, wykryto wskazanie o wartości 1327 ppm.m. Następnie powtórzono nalot nad tym samym obszarem lecz na wysokości 35 metrów. Tym razem wykryto dwa wskazania pierwsze o tej samej wartości co podczas pierwszego lotu, oraz drugie o wartości 728 ppm.m. W trakcie ostatniego lotu zmniejszona została wartość „kontrolowanego wycieku”, a lot wykonany został na wysokości 45 metrów. Podobnie jak w poprzednich nalotach, sensor wykrył miejsce w którym stężenie przekracza zadaną wartość graniczną gazu (50 ppm.m).

W tabeli 1 zestawiono wyniki pomiarów z czujnika laserowego. Jest to najwyższy wynik pomiaru zaobserwowany w jednostce czasu 0,5 s.

Dokładność detekcji w przypadku wywołania alarmu wynosi ± 1.5 m i wynika ona z dokładności pozycjonowania wbudowanego odbiornika GNSS. Należy przy tym zaznaczyć, że sensor rejestruje stężenie gazu tylko na swojej trasie lotu. Dlatego wskazanie nie oznacza lokalizacji wycieku, tylko miejsca wykrycia gazu przez sensor.

Ilościowe wartości wycieku

Metodologia przyjęta przez firmę BZB UAS opiera się na modelu statystycznym i wykorzystaniu rozkładu normalnego przy formułowaniu założeń obszaru emisji metanu. Przyjęto następujące wartości graniczne:

 

Na podstawie powyższych danych obliczyliśmy średnie stężenie gazu, wynoszące 831,41 mg/m³ . Biorąc pod uwagę wartości graniczne obliczyliśmy, że wyciek ma wartość ilościową 1,7 m³/h

Jest to jedynie estymacja na podstawie wykonanych 3-ech nalotów. Aby być w stanie dokładniej określić wskazania z wykorzystaniem czujnika laserowego AiLF, należy wykonać więcej nalotów, aby dobrać stałe wartości graniczne, na podstawie których będzie liczona ilościowa wartość wycieku. Wartość kontrolowanego wycieku wynosiła 1,1 kg/h, wartość ta odpowiada 1,5 m³/h dla wartości ciśnienia 1013 hPa i temperatury 7 °C.*

*Gęstość gazu obliczono z wykorzystaniem internetowego narzędzia:  https://www.unitrove.com/engineering/tools/gas/natural-gas-density

Ocena wykorzystanego czujnika

Wykorzystany sensor AILF U10 pozwala na punktowe wykonywanie pomiaru koncentracji gazu.

Model LDAR zakłada określenie każdego elementu infrastruktury mogącego potencjalnie spowodować wyciek. Wykorzystując te informacje, dron może zostać zaprogramowany, tak aby, skupiał się na tych elementach. Dodatkowo sensor pozwala na określenie limitu (zgodnie z definicją wycieku) powyżej którego pomiar definiowany jest jako wyciek. Dron podczas pomiaru zapisuje pozycję wykrytego wycieku. Posiadając informacje o monitorowanych elementach infrastruktury oraz ich lokalizacji można powiązać wyciek z potencjalną listą elementów do sprawdzenia. Taki tok prowadzenia pomiarów znacząco przyśpiesza proces wykrywania wycieków i sprawdzania infrastruktury. Po identyfikacji wycieku przez czujnik, zawężany jest obszar potrzebny do sprawdzenia, co przyśpiesza czas reakcji na wycieki.

Konkluzje

Naloty przeprowadzilismy w trakcie wietrznego dnia. Wiatr znacząco wpływa na jakość oraz precyzję pomiarów. Każdorazowo podczas pomiarów i analizy wyników bralismy pod uwagę prędkość, kierunek wiatru oraz wpływ ewentualnych przeszkód terenowych,

Zmniejszenie prędkości zwiększa prawdopodobieństwo wykrycia emisji metanu w czasie rzeczywistym, natomiast wydłuża skan całego obszaru. Zmniejszenie prędkości oraz zagęszczenie siatki nalotu, zwiększa pewność wykrycia potencjalnego wycieku gazu.